摘要：本文描述了一個(gè)基于現(xiàn)場總線的電子清紗器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)，利用MOXA CP-114IS構(gòu)成雙向串行多節(jié)點(diǎn)多總線協(xié)議共存的數(shù)字通信系統(tǒng)，實(shí)施對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。文中闡述了系統(tǒng)各組成部分的功能和實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)介紹了主、從機(jī)之間的通信規(guī)約以及通信軟件模塊的編程思路。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線, RS-485, 實(shí)時(shí)監(jiān)控, 單片機(jī), 消息, 多任務(wù)機(jī)制，COM 中圖分類號：TP273 引言 在絡(luò)紗過程中清除紗線中的有害紗疵，是紡紗生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一。以往紡紗過程中的清紗管理只是單機(jī)管理，利用電子清紗控制器（一種由兩級單片機(jī)構(gòu)成的RS-422全雙工總線式監(jiān)控裝置）實(shí)時(shí)進(jìn)行120路紗線上的紗疵清除工作；并完成該機(jī)臺相關(guān)參數(shù)的設(shè)定、統(tǒng)計(jì)、故障實(shí)時(shí)監(jiān)測和LCD界面控制等工作；同時(shí)積累了大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成了“信息孤島”，不利于全車間范圍內(nèi)的絡(luò)紗生產(chǎn)和質(zhì)量管理。為了提高車間的生產(chǎn)效率和管理水平，我們開發(fā)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于現(xiàn)場總線的電子清紗器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，電子器清紗器具有了數(shù)字通信能力；同時(shí)增設(shè)工控機(jī)作為遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)，利用MOXA CP-114IS異步多串口卡組成以RS-485為物理層的現(xiàn)場總線，將單個(gè)分散的現(xiàn)場設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。系統(tǒng)最大掛接127臺電子清紗器，輪巡采集每一臺電子清紗器中的相關(guān)數(shù)據(jù)，組建數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及完成相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)一設(shè)定；增設(shè)網(wǎng)絡(luò)型溫濕度傳感器對紗線的生產(chǎn)條件自動(dòng)監(jiān)測紀(jì)錄，避免了人工抄錄的繁重工作；同時(shí)LED條屏顯示器滾動(dòng)顯示生產(chǎn)通知以及崗位產(chǎn)量質(zhì)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了崗位間的競爭力。下面對該系統(tǒng)做詳細(xì)闡述。 1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)基于RS-485物理協(xié)議，自定現(xiàn)場設(shè)備通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線協(xié)議共存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。包括監(jiān)控層、通信層、現(xiàn)場設(shè)備層三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 1.1監(jiān)控層 用工控機(jī)作為車間級監(jiān)控服務(wù)器，接收底層現(xiàn)場設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)并組建數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控管理，進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定和修改。同時(shí)可以通過Intranet/Internet技術(shù)與企業(yè)局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程控制網(wǎng)站相連。 1.2通信層 約定通信協(xié)議與各底層現(xiàn)場設(shè)備通信。由MOXA CP-114IS、研華ADMA-4510S(中繼器)形成基于RS-485物理協(xié)議的現(xiàn)場總線。其中，中繼器主要是考慮到現(xiàn)場設(shè)備與車間級監(jiān)控服務(wù)器通信距離遠(yuǎn)時(shí)選用。 1.3現(xiàn)場設(shè)備層 由數(shù)臺電子清紗器、溫濕度傳感器以及LED條屏顯示器構(gòu)成。其中與電子清紗裝置的連接是利用8251 USART（Universal Synchromous/Asynchronous Receiver/Transmitter）芯片，加入RS-485通信驅(qū)動(dòng)電路形成數(shù)字通信接口，在保證原有功能不受影響的前提下，通過通信層與監(jiān)控層交換數(shù)據(jù)。 2 通信層設(shè)計(jì) 2.1通信協(xié)議 監(jiān)控層工控機(jī)(稱主機(jī)，以下同)通過PCI通信控制卡（MOXA CP-114IS）的COM端口形成基于RS-485物理協(xié)議的現(xiàn)場總線，最大可與127臺現(xiàn)場設(shè)備電子清紗器（稱從機(jī)，以下同）進(jìn)行主從通信。從機(jī)核心為Intel 8031單片機(jī)，異步串行通信波特率可達(dá)19.2Kbps；每一字節(jié)傳送數(shù)據(jù)共有11位：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。主機(jī)與從機(jī)通過通信層以數(shù)據(jù)包形式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包格式如表1所示。 表1 通信數(shù)據(jù)包格式 其中：55H,AAH分別為幀頭和幀尾，用于標(biāo)識一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)包第2字節(jié)中的D6~D0為下位機(jī)的唯一地址編碼，確保某一時(shí)刻通信鏈路的唯一性，D7位用于標(biāo)識數(shù)據(jù)流的方向，便于處在總線上的各節(jié)點(diǎn)判斷數(shù)據(jù)流向,并配合地址碼表示每一數(shù)據(jù)包的目的地址或源地址；數(shù)據(jù)包3、4字節(jié)同為數(shù)據(jù)包的長度,以增強(qiáng)通信的可靠性；第5字節(jié)為操作碼+項(xiàng)目碼共同組成的命令碼，并結(jié)合數(shù)據(jù)流標(biāo)志明確通信命令所表示的內(nèi)容和動(dòng)作要求（如設(shè)定，查詢，正反向應(yīng)答等）；緊接著的部分為數(shù)據(jù)包的可變信息體，根據(jù)不同的通信項(xiàng)目由主機(jī)下傳的參數(shù)或是從機(jī)上傳應(yīng)答的數(shù)據(jù)組成；校驗(yàn)和采用字節(jié)累加（不計(jì)進(jìn)位），保留最低字節(jié)計(jì)算的結(jié)果，確保數(shù)據(jù)包傳遞的正確性。 2.2通信過程 通信采取主從應(yīng)答方式，主機(jī)首先發(fā)送地址幀作為握手，被尋址的從機(jī)應(yīng)答主機(jī)，建立連接；在判斷地址符合后，主機(jī)給被尋址的從機(jī)發(fā)送控制命令，被尋址的從機(jī)根據(jù)其命令向主機(jī)回送相應(yīng)的數(shù)據(jù)或應(yīng)答。同時(shí)所有未被尋址的從機(jī)根據(jù)通信協(xié)議監(jiān)聽總線上的下行數(shù)據(jù)（以主機(jī)為參考點(diǎn)），以便取得地址信息與主機(jī)建立連接。通信鏈路主要過程如圖2所示： 圖2 主從通信過程示意圖 3 現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)計(jì) 3.1現(xiàn)場設(shè)備層硬件設(shè)計(jì) 現(xiàn)場設(shè)備層每臺現(xiàn)場設(shè)備均由16個(gè)前級數(shù)據(jù)采集處理器(實(shí)時(shí)采集120路紗線信號，采用RS-422全雙共總線與后級單片機(jī)通信)和1個(gè)后級單片機(jī)構(gòu)成監(jiān)控裝置。為了實(shí)現(xiàn)與上位監(jiān)控層的數(shù)字通信，加入RS-485通信驅(qū)動(dòng)電路。硬件原理框圖如圖3所示。 圖3 現(xiàn)場設(shè)備層硬件原理框圖 3.2現(xiàn)場設(shè)備層軟件設(shè)計(jì) 作為現(xiàn)場設(shè)備的電子清紗器是一個(gè)24小時(shí)不間斷運(yùn)行的多任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置。由于該裝置要檢測跑紗平均速度為600m/min，共120路紗線的紗線截面變化信號，使其具有很高的實(shí)時(shí)性要求；同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作控制（如對有害紗疵的切除等）以及后級單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理，顯示、統(tǒng)計(jì)等功能，又決定了該裝置的多任務(wù)性。這樣在保證原系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性的同時(shí)，加入現(xiàn)場設(shè)備層的通信軟件在編寫時(shí)就有了一定的特殊性。我們借鑒Windows編程的原理，在單片機(jī)編程中進(jìn)入消息概念，進(jìn)行基于消息的多任務(wù)機(jī)制編程。從機(jī)的監(jiān)控軟件主要流程如圖4所示（主要對通信部分說明）。 圖4 從機(jī)監(jiān)控軟件主要流程圖（左—主程序 ，右—T0中斷程序通信部分） 其中：主程序主要完成上電自檢、消息巡檢、按照消息隊(duì)列組織通信信息體、數(shù)據(jù)發(fā)送、功能鍵散轉(zhuǎn)、驗(yàn)校設(shè)備等工作。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，必須減少中斷服務(wù)的時(shí)間占用，因此在中斷程序中只做簡短的消息標(biāo)志處理和必要工作。大量的消息響應(yīng)工作則利用中斷的間隙進(jìn)行處理。 T0中斷每0.5毫秒產(chǎn)生一次，該段程序是整個(gè)從機(jī)任務(wù)的管理員，是現(xiàn)場設(shè)備程序的核心。T0主要完成總線上數(shù)據(jù)的接收和判斷、采用時(shí)間片算法完成對紗線信號采集器的通信控制、車速的采集、產(chǎn)質(zhì)量記錄等任務(wù)。值得說明的是，為了保證從機(jī)的實(shí)時(shí)性，沒有采用常規(guī)的中斷通信接收或等待查詢的接收編程方式，而是結(jié)合T0中斷時(shí)間的周期性和異步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，定時(shí)做數(shù)據(jù)接收端的掃描，完成數(shù)據(jù)的接收（這部分程序占時(shí)不應(yīng)大于60個(gè)機(jī)器周期,否則影響主程響應(yīng)的實(shí)時(shí)性）；當(dāng)主程監(jiān)測到有完整數(shù)據(jù)包到來標(biāo)志后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的流向、地址以及正確性分析并置欲發(fā)送信息的裝配標(biāo)志；同樣當(dāng)主程巡檢消息隊(duì)列時(shí)發(fā)現(xiàn)信息裝備標(biāo)志后，則分析主機(jī)命令、裝備信息、建立發(fā)送標(biāo)志，并以消息的形式通知主程用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣做不僅可以提高中斷的響應(yīng)速度，又不影響數(shù)據(jù)的處理和其他任務(wù)的執(zhí)行。很好的解決了多中斷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)響應(yīng)與數(shù)據(jù)處理耗時(shí)之間的矛盾，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 由于8251 USART芯片沒有數(shù)據(jù)幀和地址幀的區(qū)分功能，也就是說總線上的所有從機(jī)必須監(jiān)聽所有在總線上的數(shù)據(jù)，這樣會由于各從機(jī)時(shí)時(shí)監(jiān)聽數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為了解決這個(gè)矛盾，我們定義了完備的通信協(xié)議，其中加入了地址碼、數(shù)據(jù)流向標(biāo)志和雙幀長等通信規(guī)約，以幫助主、從機(jī)迅速判斷數(shù)據(jù)包的流向，完整性以及是否做處理的標(biāo)志，當(dāng)從機(jī)接收到非自己的數(shù)據(jù)包或錯(cuò)包時(shí)，根據(jù)各種消息標(biāo)志快速退出通信處理過程。同時(shí)T0中的數(shù)據(jù)掃描避免了簡單利用多中斷機(jī)制在監(jiān)聽大量隨機(jī)總線數(shù)據(jù)時(shí)，頻繁的中斷對整個(gè)軟件時(shí)間片劃分的破壞，以及由于接收數(shù)據(jù)的隨機(jī)性使得查詢接收方式不可行的缺點(diǎn)，從而最大限度的保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。 4 監(jiān)控層軟件設(shè)計(jì) 監(jiān)控層軟件作為現(xiàn)場總線系統(tǒng)監(jiān)控軟件是在Windows 2000 Sever 、Delphi 6.0 以及 SQL Sever 2000的環(huán)境下開發(fā)而成。主要由通信組態(tài)模塊、權(quán)限管理模塊、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊、報(bào)表管理模塊、現(xiàn)場LED條屏顯示管理模塊、Intranet/Internet接入模塊（預(yù)留模塊）六部分組成。由于這類監(jiān)控軟件編制方法趨于成熟規(guī)范，在此僅在建立該現(xiàn)場總線系統(tǒng)軟件參考模型的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)組織的核心模塊——通信組態(tài)模塊的一些特殊處理加以說明。 眾所周知，現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種現(xiàn)場總線，且各具特色；同時(shí)我們也看到不同的現(xiàn)場總線有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域，尚不存在一種能解決所有工業(yè)問題的現(xiàn)場總線；即便是同一類型產(chǎn)品，也存在著用不同的現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)的可能性；同時(shí)多種現(xiàn)場總線集成在一個(gè)系統(tǒng)中，讓不同的總線充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢可以更好地共同完成控制任務(wù)。因此，在工業(yè)系統(tǒng)中必然會出現(xiàn)多種現(xiàn)場總線并存的局面。這就為監(jiān)控層系統(tǒng)軟件對多種現(xiàn)場總線的兼容性、擴(kuò)充性提出了更高的要求。為了適應(yīng)這樣的發(fā)展趨勢，我們在系統(tǒng)軟件（監(jiān)控層軟件）設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)造如下的參考模型，一定程度上解決了多種現(xiàn)場總線并存于一個(gè)系統(tǒng)的問題，使系統(tǒng)軟件具有了較好的可擴(kuò)展性。目前，該系統(tǒng)軟件主要是針對在紡織企業(yè)中廣泛使用的普通絡(luò)筒系列電子清紗器（RS-485現(xiàn)場總線，自定協(xié)議）設(shè)計(jì)；考慮行業(yè)發(fā)展方向，軟件同時(shí)對自動(dòng)絡(luò)筒系列的電子清紗器（CAN現(xiàn)場總線）以及其他現(xiàn)場總線協(xié)議設(shè)備具有良好的兼容性。為監(jiān)控層系統(tǒng)軟件構(gòu)建的參考模<